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PCIe 3.0 vs 4.0 vs 5.0 vs 6.0 : vitesse et différences

Le PCI Express double son débit de transfert par ligne à chaque génération, si bien qu'un lien de même largeur obtient deux fois plus de bande passante : 3.0 fonctionne à 8 GT/s, 4.0 à 16 GT/s, 5.0 à 32 GT/s et 6.0 à 64 GT/s. Les générations 3 à 5 utilisent une signalisation simple à deux niveaux, tandis que la 6.0 passe au PAM4 à quatre niveaux avec correction d'erreurs directe. Chaque génération est rétrocompatible et compatible ascendante : un composant fonctionne simplement à la vitesse la plus élevée prise en charge par les deux côtés.

CritèrePCIe 3.0PCIe 4.0PCIe 5.0PCIe 6.0
Introduction2010201720192022 (spécification)
Débit de transfert par ligne8 GT/s16 GT/s32 GT/s64 GT/s
Signalisation et codageNRZ, 128b/130bNRZ, 128b/130bNRZ, 128b/130bPAM4 avec correction d'erreurs directe et paquets FLIT de taille fixe
Bande passante par ligne (un sens)Environ 1 GB/sEnviron 2 GB/sEnviron 4 GB/sEnviron 7.5 GB/s
Lien x4 (un sens)Environ 4 GB/sEnviron 8 GB/sEnviron 16 GB/sEnviron 30 GB/s
Lien x16 (un sens)Environ 16 GB/sEnviron 32 GB/sEnviron 63 GB/sEnviron 121 GB/s
Composants typiquesAnciens SSD NVMe et cartes graphiquesCartes graphiques et SSD NVMe actuels (environ 7 GB/s)SSD NVMe les plus récents (jusqu'à environ 14 GB/s) et cartes graphiques haut de gammeAccélérateurs de data center, réseau haut débit et systèmes d'IA

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

PCIe 3.0
Encore suffisant pour la plupart des cartes graphiques et pour un usage quotidien des SSD.
PCIe 4.0
Le standard courant aujourd'hui pour les SSD NVMe rapides et les cartes graphiques.
PCIe 5.0
Pour les SSD les plus rapides et les composants les plus exigeants, lorsque la bande passante est la limite.
PCIe 6.0
Pour les serveurs et l'infrastructure d'IA, où une très haute bande passante par lien est nécessaire.

Questions fréquentes

Chaque génération de PCIe double-t-elle la vitesse ?

Oui. La 3.0 fonctionne à 8 GT/s, la 4.0 à 16 GT/s, la 5.0 à 32 GT/s et la 6.0 à 64 GT/s par ligne, si bien qu'un lien de même largeur obtient deux fois plus de bande passante.

Peut-on installer une carte PCIe 4.0 dans un slot PCIe 3.0 ?

Oui. Le PCIe est rétrocompatible et compatible ascendant, et le lien fonctionne à la vitesse la plus élevée prise en charge par les deux côtés.

Que signifient x4 et x16 ?

C'est le nombre de lignes du lien. Chaque ligne transporte des données dans les deux sens, si bien qu'un lien x16 offre quatre fois la bande passante d'un lien x4 de même génération.

Qu'est-ce que le PAM4 du PCIe 6.0 ?

Le PAM4 utilise quatre niveaux de tension par symbole au lieu de deux, transportant deux bits à la fois. Le PCIe 6.0 l'utilise, avec la correction d'erreurs directe, pour doubler le débit sans doubler la fréquence du signal.

Vérifier vos connaissances

Quelle valeur est la plus proche de la bande passante utile unidirectionnelle d'une liaison x16 en PCI Express 3.0 (8 GT/s par voie, codage 128b/130b) ?

  1. AEnviron 128 GB/s
  2. BEnviron 1 GB/s
  3. CEnviron 16 GB/s
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Réponse : C. Environ 16 GB/s

Le débit utile d'une voie vaut 8 Gb/s × 128/130 ≈ 7,88 Gb/s, soit environ 0,985 GB/s après division par 8. Avec 16 voies, la bande passante unidirectionnelle est d'environ 15,8 GB/s, soit environ 16 GB/s, et d'environ 32 GB/s en cumulant les deux sens. La bande passante PCI Express s'obtient en multipliant la génération (débit par voie), l'efficacité du codage et le nombre de voies. En pratique, les en-têtes de paquets notamment la réduisent un peu.

Quelle est l'évolution correcte du débit de signal par voie à chaque nouvelle génération de PCI Express, de la 3e à la 6e génération ?

  1. AIl double environ à chaque fois (8→16→32→64 GT/s)
  2. BIl augmente progressivement d'un facteur 1,1
  3. CLe débit ne change pas d'une génération à l'autre ; seul le nombre de voies augmente
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Réponse : A. Il double environ à chaque fois (8→16→32→64 GT/s)

Le débit de signal PCI Express a environ doublé à chaque génération : 8 GT/s en 3e génération, 16 GT/s en 4e, 32 GT/s en 5e et 64 GT/s en 6e. La bande passante doublant à nombre de voies égal, elle suit l'augmentation des débits des GPU, des SSD rapides et des réseaux. Les générations sont compatibles entre elles : un périphérique récent inséré dans un ancien connecteur fonctionne au débit pris en charge par les deux.

Quelle valeur est la plus proche de l'efficacité du codage 128b/130b adopté à partir de PCI Express 3.0 ?

  1. AEnviron 80 %
  2. BEnviron 50 %
  3. CEnviron 98,5 %
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Réponse : C. Environ 98,5 %

Le codage 128b/130b ajoute un en-tête de 2 bits à 128 bits de données et transmet 130 bits ; l'efficacité est donc de 128/130 ≈ 98,5 %. Le surcoût est fortement réduit par rapport aux 80 % du 8b/10b. La fréquence des transitions est assurée par embrouillage (scrambling, OU exclusif avec une séquence pseudo-aléatoire fixe), qui mélange les 0 et les 1. C'est pourquoi PCI Express 3.0 a pu presque doubler le débit utile en ne portant le débit de signal que de 5 à 8 GT/s.

  1. Quelle caractéristique de la PAM4 (modulation d'amplitude d'impulsion à 4 niveaux) adoptée dans PCI Express 6.0 est correcte ?
  2. Que se passe-t-il si l'on insère un SSD PCI Express x4 dans un connecteur de longueur x16 de la carte mère (en supposant que le connecteur est câblé pour x4 ou plus) ?
  3. Que signifie le fait qu'une voie PCI Express soit « full duplex » ?

Questions d'entraînement sur Interfaces d'E/S et bus

Termes clés expliqués

PCI Express
Interface d'extension série à haut débit reliant le CPU au GPU, aux SSD, aux cartes réseau, etc. Aussi écrite PCIe. Le débit augmente en regroupant des voies (lanes), et la vitesse double environ à chaque génération.
NVMe
Norme d'interface permettant d'exploiter à grande vitesse des SSD connectés en PCI Express. Elle traite de nombreuses commandes en parallèle et offre une latence inférieure au SATA, conçu pour les disques durs.

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